基于柔性多体动力学和有限元理论的缆索承重桥梁的振动研究

以柔性多体动力学理论为基础，辅以有限元理论和模型试验验证，研究以依托工程为蓝本的缆索承重桥梁的固有振动、碰撞仿真以及车桥振动等内容。项目拟从柔性多体动力学的基本控制方程出发，建立基于柔性多体动力学理论的缆索承重桥梁的固有振动方程、仿真碰撞数值模型以及车桥振动的实用数值分析模型，辅以有限元理论为数值求解技术，编制面向对象的计算机程序，并最终形成缆索承重桥梁基于柔性多体动力学和有限元理论的振动研究体系及程序系统。以依托工程及其小比例缩尺模型为研究对象，仿真计算试验模型的固有振动、碰撞振动以及车桥振动，并根据仿真计算工况进行模型试验，验证研究理论及程序系统的有效性、正确性。最后，根据实桥的动荷载试验测试实桥的固有振动特性及车桥振动响应，进一步验证理论及程序系统的有效性及正确性。

课题组根据船舶撞桥、车辆撞桥、滚石撞桥等问题的共同特点，提出将三种问题合并，研究撞击作用下桥梁响应及安全问题。研究结果表明，船撞桥近似于柔体与刚体相撞，滚石撞击桥近似于两个刚体相撞；研究表明，正确模拟船艏结构是得到合理撞击力的关键；不同速度下V形船艏与桥墩碰撞分析结果表明，V形船艏船舶的最大撞击力与船速之间关系并不是线性的，而是随着船速的增大，最大碰撞力的增速也加快；滚石撞击桥墩时，若滚石质量较小，滚石撞击后将会以较小的速度反弹脱离桥墩，当滚石质量很大时，滚石不会发生反弹现象；对于滚石质量及撞击速度较小的情况，通过对撞击力数值结果的回归得到了计算最大撞击力的回归公式；提出了一种简单、经济、易实施的桥墩防滚石撞击的装置。课题组基于达朗贝尔原理建立车辆多刚体动力学运动方程，扩展了DYMORE代码并开发了VBWD车桥振动分析软件。基于柔性多体动力学和有限元理论建立桥梁的动力学分析模型，考虑路面不平整度的激励作用，引入车辆与桥梁的耦合条件，最终建立公路车桥耦合动力学分析模型。从桥梁主跨跨中竖向位移静力效应等效的基础上针对车道荷载逆向反推得到桥上车辆的布置（本文称之为确定性车流），以重庆涪陵青草背长江大桥和四川绵阳会客厅一号桥为工程背景，分别分析了不同车道车辆布置、不同车辆运行速度和不同路面不平整度情况下桥梁的动力响应及其冲击系数和车辆的动力响应及其舒适性能。